徐　進　王　礁　黃玉港

(西安工程大學電子信息學院　西安　710048)

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基于1553B總線的小尺寸MBI板卡可靠性的研究與實現(xiàn)*

徐進王礁黃玉港

(西安工程大學電子信息學院西安710048)

傳統(tǒng)的通信板卡占板面積大,重量重,電線復雜,可靠性低,基于1553B總線SoC(片上系統(tǒng))芯片的小尺寸MBI(多路傳輸總線通信接口)通信板卡很好地解決了這一問題,通信效率高,抗干擾能力強,板卡面積小,重量輕,同時具有很高的可靠性。該MBI板卡采用雙通道,雙冗余度結構的設計使得總線的負載率大大降低,保證了較好的容錯性和故障隔離,可靠性顯著提高。該MBI板卡完成傳輸層功能,使接口卡具有智能性,減少了系統(tǒng)主機的干預,符合航空電子工程的要求。論文從誤碼率和誤信率的關系,數(shù)學原理方面分析研究了可靠性問題。

1553B總線; 可靠性; 冗余; MBI

Class NumberTN914

1　引言

隨著航空電子系統(tǒng)的發(fā)展,減小系統(tǒng)的重量、體積、功耗,提高產品的可靠性已成為航空電子系統(tǒng)產品設計的流行趨勢和主流。對MBI板卡的尺寸要求越來越小,以滿足系統(tǒng)對“小、低、輕”的要求。1553B總線MBI板卡作為系統(tǒng)模塊電路中的總線通信部分,傳統(tǒng)的總線通信系統(tǒng)中MBI模塊應用解決方案的電路設計電纜分散性高,尤其在機載設備增加時,硬件設計占用板面大、可靠性低、體積大與航空電子系統(tǒng)高可靠性,低功耗,微型化的趨勢相違背。基于以上原因研究基于1553B總線小尺寸MBI板卡的可靠性具有深遠的意義[1]。

本文分析了影響小尺寸MBI板卡可靠性的因素,根據(jù)可靠性的數(shù)學原理,建立了1553B總線可靠性的數(shù)學模型[2],在此基礎上,分析了1553B總線的冗錯結構,通過降低誤信率與減少該板卡故障工作時間提高系統(tǒng)的可靠性。最后通過對比計算結果,顯示了該總線進行通信的可靠性。經實踐證明,該MBI板卡功能完備,性能良好,集成度高,可移植性強,具有很高的可靠性,滿足機載航空電子系統(tǒng)總線設計要求,可以滿足系統(tǒng)的需要[3～4]。

2　系統(tǒng)的可靠性和誤碼率

誤碼率是判斷數(shù)據(jù)在規(guī)定的傳輸時間內數(shù)據(jù)傳輸精確性的指標,也是小尺寸MBI板卡系統(tǒng)性能的重要參數(shù)[5]。

該板卡由1553B總線收發(fā)器、變壓器、JTAG接口、短接線等構成,采用了雙余度總線接口,變壓器耦合方式連接的設計[6]。這些元器件都是無源器件,失效率很低,用這些無源器件嚴格按照工藝要求制作,并檢驗合格的總線網(wǎng)絡的失效率也很低。因此,該板卡的正常工作時間由連接在總線上的BC和RT的平均正常工作時間決定。

誤碼率是判斷系統(tǒng)通信精確性的指標,也是基于1553B總線小尺寸MBI板卡系統(tǒng)性能的重要參數(shù)。為了保證小尺寸MBI板卡的可靠性,1553串行通信協(xié)議制定了嚴格的性能指標,主要性能指標姬是系統(tǒng)的誤碼率,系統(tǒng)的誤碼率要求低于10-7,對應的誤信率低于5×10-9。

誤碼率(Pe)：用來衡量誤碼出現(xiàn)的頻率,系統(tǒng)通信過程中所收到的錯誤碼元數(shù)在傳輸總碼元數(shù)中占的百分比,即

(1)

(2)

在1553B系統(tǒng)中,一個碼字的長度是20位,要求的誤碼率是Pe=10-7,則根據(jù)上述公式可得出

(3)

則1553B總線中的誤信率為5×10-9,經計算表明,1553B總線的誤信率低于千萬分之一,該總線通信中系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力。

3　系統(tǒng)的可靠性研究

綜合航空電子系統(tǒng)實現(xiàn)信息交換主要依賴總線通信技術,系統(tǒng)通信過程中著重強調了總線通信的實時可確定性,因此保障總線信息傳輸技術的精確變得非常重要。在系統(tǒng)設計中1553B總線設計A,B兩個傳輸信道進行通信,通過A,B信道之間進行自動切換來獲得冗余容錯能力,該總線具有較強的抗干擾優(yōu)點,信道通信的精確性較高,在設計時重點進行1553B總線的通信精確性設計,采用冗余設計減少故障對系統(tǒng)正常工作的影響,采用電氣屏蔽和變壓器耦合的方式,每個節(jié)點都能夠安全與網(wǎng)絡隔離,減少了潛在損壞MBI板卡等設備的概率[7～9]。在設計小尺寸MBI板卡時采用變壓器耦合的工作方式通信。由于直接耦合不利于終端故障隔離,會因為一個終端而造成整個總線網(wǎng)絡的完全癱瘓,從而使MBI板卡模塊在通信過程中的可靠性大大降低。

3.1可靠性分析

1553B系統(tǒng)的工作模式,工作流程可簡化為如圖1所示。

圖1　1553B總線的結構框圖

3.1.1可靠性的數(shù)學模型

1) A通道和B通道的工作壽命X1、X2和備份壽命Y1、Y2分別遵從參數(shù)為λ和μ的指數(shù)分布；

2) A通道和B通道的工作壽命與其通道曾經備份了多長時間無關；

3) A通道和B通道的壽命均相互獨立；

在初始時刻系統(tǒng)在A通道上工作,B通道備份,于是1553B總線系統(tǒng)的壽命可表示為

X=X1+X2·I(Y2>X1)·I(XK=1)

(4)

由總線通信在A通道與B通道進行換通道事件的全概率公式和兩個通道相互獨立的關系,1553B總線的可靠度R(t)為[10]

(5)

3.1.2與單通道比較

1553B總線在航空電子系統(tǒng)項目實踐中,通道變換的故障率較低,可以近似為p=1。另外,總線的A,B通道處于熱備份,可認為λ=μ。于是式(5)化成如下的式(6)并以此進行分析。

(6)

若單通道進行1553B總線的通信(A或B),系統(tǒng)的可靠度理論計算結果為R0(t)=e-λt,則：

R*(t)=2R0(t)-(R0(T))2

(7)

顯然R*(t)>R0(t),即1553B總線采用雙通道備份方式的設計在總線通信中的可靠性優(yōu)于單通道通信的可靠性。

3.2可靠性的技術指標

在實際設計過程中,系統(tǒng)可靠度越高就越好。可靠度高的產品,系統(tǒng)使用壽命較長[11]。

可靠度包括結構的安全性、適用性和耐久性,當以概率來度量時,稱可靠度。 產品壽命T是一個隨機變量,可靠度R(t)為

R(t)=P(T>t)

(8)

式中,t是規(guī)定時間。

如上式所示t時產品的可靠度,指產品在[0,t]內完成預定要求的概率。

不可靠度F(t)為

F(t)=P(T≤t)

(9)

即t時產品的不可靠度,指產品在[0,t]內不能正常工作的概率。顯然

R(t)+F(t)=1

(10)

對于有限樣本,設產品總數(shù)目為N。經過t時間系統(tǒng)設備損壞數(shù)目為r(t),則系統(tǒng)完成預定功能的概率和系統(tǒng)不能正常工作的概率為

(11)

(12)

隨著時間增大,系統(tǒng)完成預定功能的概率由開始時的R(0)=1逐漸降低(R(∞)=0),系統(tǒng)發(fā)生故障的概率由開始時的F(0)=1逐漸增加到(F(∞)=1)。

3.3可靠性指標數(shù)據(jù)

正常工作時間中系統(tǒng)通信出現(xiàn)錯誤的間隔時間是總線通信系統(tǒng)中可靠性的指標,系統(tǒng)中電子器件最低級的失效率為1×10-4/h。取(1/λ)=104h,由式(4)可知,可靠性指標計算數(shù)據(jù)如表1所示,從計算結果上可進一步看出1553B總線采用通道備份的工作方式比采用單一通道進行通信,該總線在航空電子系統(tǒng)中進行信息傳輸?shù)钠骄９ぷ鲿r間顯著增加[12]。

表1　可靠度數(shù)比較

4　結語

隨著數(shù)字技術的發(fā)展,要求的功耗和板卡的面積越來越低,本文介紹的基于1553B總線的小尺寸MBI板卡給出MBI板卡的可靠性設計,研究了基于1553B總線系統(tǒng)可靠性的技術指標,建立了1553B總線系統(tǒng)可靠性的數(shù)學模型,為后續(xù)基于1553B總線的小尺寸MBI板卡應用在機載,彈載,航空電子系統(tǒng)中做了理論準備,通過計算結果對比,明顯提高了基于1553B總線的小尺寸MBI板卡系統(tǒng)的可靠性。解決了占板面積大,可靠性低,功耗低,傳輸精確性差的問題。滿足了新一代機載電子系統(tǒng)對1553B總線小尺寸MBI板卡可靠性設計的要求,目前已應用于若干實際工程項目中,具有廣闊的應用前景。研究1553B總線的小尺寸MBI板卡可靠性有重要的現(xiàn)實意義,且對高速1553B總線小尺寸MBI板卡的研究有一定的參考價值。

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Research and Implementation of Reliability of A Small Size MBI Board Based on 1553B Bus

XU JinWANG JiaoHUANG Yugang

(Shool of Electronic Information, Xi’an Polytechnic University, Xi’an710048)

With large occupy board areas, heavy weight, and complex wires, the reliability of the traditional communication board is low. However, with high communication efficiency, strong anti-interference ability, small board card areas, and light weight, a small size MBI communication board of SoC chip based on 1553B bus solves the problem better. The MBI board adopts the design of double-channel and double-redundancy structure, which greatly reduces the bus load rate, ensures good fault tolerance and fault isolation, and improves the reliability significantly. The MBI board completes the function of the transport layer, making the interface card is intelligent, reducing the interference of the system host, and meeting with the requirements of avionics engineering. The paper explores the problem of the reliability from the aspects of the relationship between the bit error rate and the error rate, and the mathematical principle.

1553B bus, reliability, redundancy, MBI

2016年4月17日,

2016年5月20日

徐進,男,教授,碩士生導師,研究方向：信息理論與信息系統(tǒng)、智能電子測量與控制系統(tǒng)。王礁,男,碩士研究生,研究方向：信號與信息處理，1553總線仿真卡設計。黃玉港,男,碩士研究生,研究方向：數(shù)字圖像處理，信號與信息處理。

TN914

10.3969/j.issn.1672-9722.2016.10.026